基于DSP的三相异步电机变频调速系统优化设计及实现

北京印刷学院硕士学位论文中图分类号：密级：硕士学位论文基于 DSP的三相异步电机变频调速系统优化设计及实现信号与信息处理专业The research on speed control system of three-phaseasynchronous motor based on DSP二一四届专业：信号与信息处理研究生：张笛指导教师：曹少中教授张笛二一五年三月 摘要随着电机技术的发展，人们对电机控制的需求也日益增加，所以对电机控制技术的研究具有重要的意义。三相交流电机系统的控制己经发展为融合了多门知识的新兴学科，包括电机理论、自动控制原理、电力电子技术、嵌入式系统控制和计算机控制等。在交流调速的技术中，随着需求更大的调速范围和更快的响应速度，变频调速的矢量控制以其优异的性能和广泛的应用范围而被认为是最有前途的调速方式。本文介绍了变频调速的PWM技术，重点讲述了SPWM、SVPWM控制技术，介绍了基于两种模型的异步电机调速系统，以动态数学模型为基础分析了Clark变换和Park变换的适用公式，为本系统所采用的FOC矢量控制算法做铺垫。主要研究内容如下，1本系统采用TMS320F28335芯片，基于其先进的浮点运算功能和高速的运算速度，提高了FOC算法电机控制的速度。2针对现有通用矢量控制电路抗干扰性等特点进行了抗干扰优化设计，给控制板的供电电源加了电抗器，效果明显。3设计了整个系统的软件和硬件电路，并且讲述了硬件调试过程中的一些干扰问题，通过实验结果证明了系统的可行性。关键字：三相异步电机；变频调速控制；DSP28335；电机驱动I ABSTRACTWith the development of motor technology, the demand for motorcontrol is also increasing, therefore, it is of great significance that thestudy of motor control technology. Three-phase AC motor control systemhas been developed into an emerging discipline that combinesmulti-disciplinary knowledge, including motor theory, automatic controltheory, power electronics technology, embedded System Control andcomputer control etc. In the technology of AC speed control, as thedemand for greater speed range and faster response speed, VVVFvector control is considered to be the most promising way to speedregulation, for its excellent performance and a wide range ofapplications.In this paper, it describes the PWM inverter technology, andfocuses on the SVPWM and SPWM control technique. It also describesthe induction motor speed control system based on two models. Basedon a dynamic mathematical model, it analyzes the Clark and Parktransforms apply formulas, and it paves the way for the usage of FOCvector control algorithm in the system. The main research contents areas follows,1 In the system, it uses TMS320F28335 chip. Based on itsadvanced features of floating point and high-speed operation speed, itimproves the speed of motor control by the FOC algorithm.2 As for anti-interference characteristics of existing universal vectorcontrol circuit, there is an anti-interference optimized design, and it addsthe reactor to the power supply of control board. And the effect isobvious.3 It designs the software and hardware circuits for the entire system,and it points out some problems of interference in the hardwareII debugging process. It proves the feasibility of the system through theexperimental results.Key Words: three-phase asynchronous motor; Frequency conversion speedcontrolling system; DSP28335; motor drive;III 目录摘要.IABSTRACT .II目录. IV第一章绪言. 11.1研究背景及意义 . 11.2国内外发展状况 . 11.3课题研究的主要内容及论文结构. 4第二章 PWM变频调速技术原理 . 62.1脉宽调制技术简介 . 62.2 SPWM控制技术. 72.3 SVPWM控制技术. 82.4本章小结 .12第三章三相异步交流电动机的数学模型.133.1基于稳态模型的三相交流异步电机调速系统 .133.2基于动态模型的异步电动机调速系统 .153.3本章小结 .19第四章变频调速控制系统的硬件设计 .204.1数字信号处理器概述.204.2三相异步电机变频调速控制系统的设计.234.3硬件电路的设计.254.4硬件设计中的抗干扰问题.374.5本章小结 .39第五章变频调速控制系统的软件设计 .405.1 DSP的开发环境介绍.405.2按转子磁链定向的矢量控制系统结构图.405.3程序流程图 .415.4电流采集模块设计 .42IV 5.5速度采集模块.445.6串口通信 .455.7本章小结 .49第六章总结和展望.50致谢 .51参考文献.52附录 .54攻读学位期间发表的学术论文 .55独创性声明 .56V 北京印刷学院硕士学位论文第一章绪言1.1研究背景及意义本课题来源于横向课题，主要是做一套电机的变频调速系统，用于实验教学。帮助各大高校电机控制类的学生完整的了解电机控制系统的实际软硬件组成，通过了解电机的驱动系统进而更好的对电机学习有一个感性的认识。在国内做教学仪器的公司大约有一百多家，一般的不可能将自己的技术完全公开，要想学得深入，还得自己去摸索。本文设计的系统相对详尽的阐述了电机控制的整个系统，对整体流程有一个很好的展现。在相当长的一段时间内，直流驱动技术在电机驱动领域有着无可捍动的地位。自从 70年代异步电机矢量坐标变换控制方法提出，伴随着微电子技术、电力电子技术、电机理论和技术以及现代控制理论的发展,使得交流驱动技术至今已获得了迅猛的发展。由于交流电机控制系统不存在直流电机控制系统维护困难和难以实现高速驱动等缺点，近年来发展很快。本课题做的三相异步电机变频调速系统对本科或研究生学习电机的变频调速知识有很大的帮助，开源的代码以及详尽的理论与实际相结合的论述与演示，能帮助学生从理论认识到实际掌握，本人从做这套系统感觉到从理论到实际还是有一大段距离需要跨越的，讲理论的书很多，但是要让初学者自己从理论认识到实际掌握显然有一定的难度，而讲技术类的书只是能找到某一个小部分的片段，对整体理解帮助很小。本实验系统不仅有理论的讲解，而且还有完整的整个系统的程序可供研读与修改，能让初学者真正的掌握一些经典的算法以及对单相电机，三相交流电机，直流无刷电机的变频调速技术有深刻的认识。此外，对电机控制技术的推广有一定的帮助，电机变频驱动技术目前我国和国外还有很大的差距，比如驱动器这块国外产品的性能还是优势明显，本实验系统能让愿意学习的初学者尽快入门，国产变频驱动器的发展需要更多的人才，高性能中的交流驱动中的关键技术是不可能公开的，像上世纪70年代末80年代初，发生的美国对日本制裁的“东芝事件”1。因此，我们做的这个基础类的工作是很有意义的。1.2国内外发展状况传统的需要调速的地方一般用直流调速系统，它的供电系统早期是水银整流1 北京印刷学院硕士学位论文器，后来随着电力电子的发展变成了用晶闸管整流以后供电，交流调速性能提升以后对直流驱动的地位产生了巨大的冲击。很长时间以来人们没有利用交流电的频率变化这个资源，以前只是改变电压调速，20世纪80年代以来我国的交流调速技术才有了快速的发展，这与国家政策的扶持是分不开。多种多样的交流调速技术归结起来有10种，分别是（1）变频调速（2）串级调速（3）双馈调速（4）无换相电机（5）交流步进拖动系统（6）交流伺服系统（7）高频化技术（8）专用电源技术（9）无功补偿和谐波抑制技术（10）交流调速节能技术，其中变频调速技术有着无可比拟的优势，从而它也是最被人们看好的方法。三相交流异步电机由于在很多方面都有比直流电机优越的特点，像制造简单，适应环境能力强等，所以人们一直对其控制技术的研究没有停止过，直到现在很多国内外研究机构和企业都在努力提高它的控制性能。自从用微处理器来控制电机变频调速以来，整个控制系统的结构改变了很多，在过去电机控制时都是通过一些模拟器件，像比较器、运算放大器、二极管和 IGBT等分立元件搭建一个驱动系统，而后来只需要去选用一些集成电路就可以了，它们大多都是一些模拟数字混合电路，选用它们不仅能使开发周期缩短，而且系统的可靠性和抗干扰性能都提高了不少。目前用于电机控制的集成电路大致可以分为三大类：电机控制专用集成电路、专门为电机控制设计的微控制器（ MCU）和数字信号处理器（DSP）。在数字化流行的今天，非常适合编程的针对电机控制的MCU和DSP替代了模拟的集成电路，他们优越的性能适合电机控制的复杂算法2。因此，了解和掌握交流电机系统数字控制系统的工作原理以及设计方法，不仅可以根据实际需要选择合理的控制方案，以达到投资和收益最佳，并且对消化吸收国外技术大有好处，同时也能促进一步深人研究和发展交流电机的控制理论和方法也是必不可少的。近20年来，关于交流电机数字控制系统的研究发展迅速，积累了大量的文献取得了丰硕的研究成果。三相交流电机控制系统相比直流电机有结构简单效率高维护比较方便等优点，因此人们都比较重视它国内外很多大学、科研机构和公司同时都投入了不少的精力去研究。并在上个世纪 80年代就推出了一系列应用于工业领域的交流电机控制系统，目前我国也有很多单位在研究和引进国外交流电机控制系统的技术,为了进一步提高交流电机控制系统的性能，正围绕以下四个方面开展一些研究工2 北京印刷学院硕士学位论文作3。(1)新型的性能更好的电力电子元器件。我们一般通过电子器件控制交流电机，通常所说的电力电子器也叫开关器件，它不断提高的性能，也使得交流电机控制系统性能更好，针对不同功率的电机我们选择的开关器件也是不同的，电力电子器件的功率范围可从1W到几百MW，甚至GW级别。从第一只晶闸管(SCR)诞生到后来它的容量越来越大，性能越来越高，作为半控型器件，虽然它存在一些缺点，但是由于它的电压高和电流大等特性使它在高压交流变频调速等方面占有十分重要的地位。自从全控型可关断器件产生以后，一些晶体管比如双极结型晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管以及本系统采用的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等大范围推广使用，由于其具有很高的开关频率使得数字产生PWM来控制电机平稳运行成为可能。IGBT一经问世,便得到快速发展,是目前新型电力电子器件的主流器件之一。它的驱动电路简单，所需要的驱动功率很小，开关损耗小,工作频率高,承受电压较高,载流密度大,通态压降小,热稳定性好,没有“二次击穿”问题,安全工作区大,不需要缓冲电路。而且人们把它做成智能功率模块，包括高性能的IGBT芯片，电压电流保护电路等，使得人们能够设计出更加简洁的交流电机变频调速整体电路，性能更加稳定4。电机控制系统中很关键的一个环节便是变频装置中的电力电子器件，它起着弱电控制强电逆变的作用。采用新型的电力电子开关器件是很重要的，像国外多家公司研制的适用于矩阵式变化器的逆阻式IGBT5。(2)基于交流电机的动态数学模型的控制方法。从三相异步电机的状态方程可以分析出交流电机是多变量非线性耦合的被控制对象，以前人们基于其稳态方程控制的调压调速和变压变频调速，它们在动态控制时控制效果不太理想。 20世纪70年代工程师F.Blaschke发展了前人的理论，提出的用坐标变换的方法，把三相交流电机定子三相电压电流转换到两相静止坐标，然后把两相静止坐标的变量转换到两相旋转坐标系，他们三者产生的旋转磁场是相同的。这样实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，从而能单独控制这两个电流分量，使得我们能像单独控制直流电机的两个定子电流那样来控制交流电机的运转，但是这需要进行复杂的坐标变换配合先进的控制策略，后来出现的运算性能较好的控制芯片入DSP等完全满足了这种需求，从而通过复杂算法进行控制的交流电机系统也能3 北京印刷学院硕士学位论文和直流电机那样平稳调速。此外，人们探索了其他控制精度不差但是不需要那么复杂的运算的一些新方法，比如直接转矩控制6、电压定向控制和定子磁场定向控制等。为了解决传统DTC控制方法中转矩脉动大，开关频率不固定等出现了改进的直接转矩控制方案7、离散空间矢量调制的直接转矩控制方案8和模糊神经网络直接转矩控制方案 9。尤其自从计算机用于实时控制之后，使得现代控制理论中各种控制方法得到应用，如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制，可提高系统的动态性能，滑模变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信息，自适应控制则能全面地提高系统的性能10。(3)把计算机技术用到电机调速控制系统中应用计算机技术主要在两个方面，一是可以用总线系统形式，计算机加数字信号处理器的模式，DSP负责处理大量的实时数据和故障检测保护等，计算机负责人机对话上位机界面的控制。二是数字仿真功能和计算机辅助设计。仿真时可以直接通过计算机改变控制器的一些参数和控制方式等，避免盲目的实际调试，同时也可降低发生事故的概率。现在已经有多种这样的软件包，我们可以用它来指导系统的设计。(4)新型电机的开发和无传感器技术的应用电机本身的设计配合各种控制系统而发展也成为一种途径。诸如的迅速发展的开关磁阻电机就得益于新材料的发展和开关变磁阻理论的发展。在设计电机时候把转子位置检测功能加进去就解决了失步问题，对未来伺服系统的发展注入了活力。由于电机闭环控制需要许多反馈量，所以有必要加上传感器，这不仅增加了成本还非常容易受到电机工作环境的影响，近年来无速度传感器的电机调速系统备受关注，它用容易获得的电机的电流和电压等变量配合电动机的数学模型直接算出电机转速以及转子位置。这种技术在系统硬件结构上有着天然的优势，比如受环境影响因素小，维护费用低和没有昂贵的传感器而带来的经济优势等11。1.3课题研究的主要内容及论文结构本文以三相交流异步电动机作为控制对象，设计了一套通过按键和上位机控制的电机变频调速系统。通过对SVPWM控制方法的细致研究与编程验证，对磁场定向矢量控制算法的原理剖析和把这个算法进行编程实现，最后将程序下载到4 北京印刷学院硕士学位论文TMS320F28335主控芯片里面，完成了电机调速功能。并且设计了驱动电路、欠压保护电路、过压保护电路、DSP核心板电路、电流反馈检测电路、编码器反馈电路、霍尔信号反馈电路、数码管显示电路和串口通信电路等一整套系统。比较了拥有浮点运算功能的 28335芯片与以前只拥有定点运算能力芯片在编程上的不同，最后借助其快速浮点运算的功能，设计了一种对三相异步电机基于动态数学模型的状态方程直接积分解法的控制方法。具体章节概要如下，第一章绪言，主要讲了课题研究的背景和意义，三相交流异步电机控制技术的发展状况，以及现在主要围绕哪些方面进行研究。第二章 PWM变频调速技术原理，主要讲了PWM脉宽调制技术应用于变频的介绍，并且重点讲述了SPWM算法和SVPWM算法，为后面矢量控制提供基础。第三章三相异步交流电动机的数学模型，主要讲了本文要做的三相异步交流电机变频调速系统一些理论知识，为后面系统软件设计提供理论依据。第四章变频调速控制系统的硬件设计，主要讲述了本文要做的实验系统的整体硬件结构，以及每一模块所需要用到的硬件电路。还讲述了一些系统调试时的干扰问题，以及优化电路等知识。第五章变频调速控制系统的软件设计，讲述了整个系统的软件组成模块，整体功能框图，以及每个小模块的程序编写方面的知识。还有对电机状态方程直接求解来控制电机调速的思想（直接快速跟随其动态方程，响应速度快，不易受参数变化影响等）第六章总结和展望，总结了本文的一些成果，以及在交流调速方面的欠缺与不足，并且预测了交流调速实验系统的发展方向，是开源的，是让学生学习底层与集成模块并行的思想。学习底层原始知识且直观的学习（磁链）有助于学习知识能理解了并去学习培养解决问题的能力，集成模块的学习有助于以后的应用，毕竟未来的发展方向是集成化，像电机和驱动就集成在一起了，所以要学习集成模块的思想，有助于以后开发的时候缩短开发周期。5 北京印刷学院硕士学位论文第二章 PWM变频调速技术原理许多高性能的控制方法也是以 PWM技术为基础的，所以我们在这一章详细介绍了 PWM控制技术的原理，并且对两种经典的 PWM算法做了编程时候核心思想的分析。2.1脉宽调制技术简介PWM技术是电机变频调速技术的核心内容，多年来它一直受到人们的重视，目前已经有十几种方案得到应用，并且还有许多人在研究它，脉宽调制技术的控制理论和思想很早就被提出来了，但是受到电力电子器件发展的制约一直没有大范围的应用起来，后来随着全控型器件的发展 PWM技术才得以推广应用。我们平常所指的 PWM技术是说通过控制全控型功率半导体器件的开通和关断，产生具有一定形状的电压脉冲序列，以此来实现变压变频控制和消除谐波为目的的一门技术12。PWM技术的最初原型要追溯到 1964年ASchonung和 HStemmler在BBC评论上发表的文章，上面讲述的把在通信系统中的的调制技术用到交流变频技术中，这样产生的产生了正弦脉宽调制变频变压的思想13。这种 PWM调制技术开始应用在大功率、高精度、高动态响应等领域。至今，SPWM在许多应用场合中仍然占据着主导地位而且人们研究它的热情一直没有减退过。最初产生PWM信号，是通过用模拟电路产生的三角调制波和正弦波相比较，它们的交点作为开关时刻来控制半导体器件的开关，现在完全用微处理器通过软件编程的方法产生 PWM波，比如用 DSP控制产生 SPWM波时，并不是编程产生正弦波与三角波进行比较，而是直接控制其占空比就可以了。用等面积法我们就很好理解PWM波形与正弦的关系，为了模拟正弦，英国 Bristol大学的 SRBOwes提出了规则采样数字化 PWM方案，是对自然采样规律做了简单的近似，为数字化PWM波形的产生提供了理论依据14。在此基础上，Bows等人又提出了准优化脉宽调制技术，这种方法提高了电压利用率，它的实质是在基波上叠加一个三次谐波其幅值是基波幅值的 l / 4，也就是马鞍波技术15。马鞍波技术和电压空间矢量技术都具有提高电压利用率的功能16,17。但 SVPWM和直接转矩控制方法都是以控制定子磁链为手段，SVPWM调制方法是把电动机看做一个整体，通过特殊的开关顺序来获得圆形的旋转磁场，其等效的调制波形也含有少量的三次谐6 北京印刷学院硕士学位论文波，零矢量产生了一些小的高次谐波。它的控制思想先进，很多复杂的算法最后都是通过它作为底层来控制功率器件的开关。2.2 SPWM控制技术选择正弦波作为参考波，等腰三角波作为载波，且参考波的频率比调制波要高很多，它们进行比较，这两个频率相差很大的波形的交点当做开关器件的通断时刻，得到的输出脉冲序列是幅值相等但宽度按正弦规律变化，这就是我们通常所说的是正弦脉宽调制(SPWM)18,19。这种直接产生 PWM的方法适合模拟器件，产生三角波与正弦波后通过比较器控制开关器件的开通和关断。如果用微处理器去实现则运算复杂，简化以后得到比较好用的规则采样法20。对称规则采样法是用每个三角波周期的顶点或底点的时刻作为对正弦信号的采样时刻，然后做平行于时间轴的线，与三角波的交点作为开关器件的通断时刻，如图 2.1所示，因为这两个交点是关于三角波的轴线对称的，因此我们叫它做对称规采样法。这样逆变出的实际是逼近正弦的梯形波，采样次数相对减少故而计算相对简化。生成的图 2.1对称规则采样法生成 SPWM波生成的 SPWM波的脉宽为式 2-1所示，t = 2ton = T(1+ M sinwt1)(2-1)c2令三角波频率与正弦波频率之比为载波比 N，也就是说一个正弦周期有 N个三角波，有 N = f=1，t1 = kTC，（k=0,1,2.,N-1）,k为采样序号。故得出，CfTC fwt1 = 2p ft1 = 2p fkTC = 2pk，N将其代入式(2-1)得，ton = 1+ M sin(2pNk )，TC2(2-2)7 北京印刷学院硕士学位论文其中的 M为调制度，当已知参数TC、 M、 N后，就可根据式(2-2)计算出 SPWM波形的脉宽的时间。2.3 SVPWM控制技术用三相相位相差 120的交流电通入到三相交流电动机，这时在电机内部形成的旋转磁场是圆形的，且磁链幅值恒定，产生的电磁转矩也是恒定的。我们把三相交流电动机和逆变电路看做一体，控制逆变器使其逆变出的三相交流电输入给定子，在电机内形成圆形磁场，使这个磁通去逼近通入三相交流电时在电机内部所产生的圆形旋转磁场，这就是磁链跟踪控制。由磁链和电压空间矢量的关系以及通过交替使用不同的电压空间矢量来实现定子磁链轨迹的控制可以得到这种控制方法也叫做电压空间矢量 PWM(SVPWM)控制。如果通过整流后的逆变电路能像电机提供变频的交流电，输入给定子，且在电机内形成定子磁链圆，就能实现电机的变频调速21。把三相电压U A、UB、UC依次加在电机的三相绕组上，形成的三个相电压空间矢量uA、 B、 C方向在各自轴线上，大小随时间按正弦规律变化。空间矢uu量功率表达式为p = 3 k(UAiA +UBiB +UCiC ) =32kp22(2-3)2式中，p =UAiA +UBiB +UCiC为三相瞬时功率，按空间矢量功率与三相瞬时功率3223k2=1，得 k =相等的原则，使。三相合成矢量为3=2us = uA +uB +uCUme jw1t(2-4)Um是相电压幅值，uws是一个以电源角频率 1为角速度作恒速旋转的矢量，幅值是相电压幅值32倍，当相位相差 120的三相电压中的某一相电压变为最大值时，合成的的电压矢量方向就与这一相电压的方向相同。8 北京印刷学院硕士学位论文用合成矢量表示的定子电压方程为us = Rs i+s ddty s(2-5)当电动机在不是很低的转速下转动时，定子电压的压降可以忽略，由式(2-5)简化得定子合成电压矢量与合成磁链空间矢量的关系为dy sdtus (2-6)当电动机由三相交流电供电时得定子磁链矢量y s =y se j(w1t+j)(2-7)pus w1y se j(w1t+2 +j)将上式对 t求导得(2-8)由式(2-6)可以看出，合成磁链矢量yus的方向与合成电压 s的方向正交，由式(2-8)可看出磁链幅值等于合成电压与频率之比，我们要研究三相交流电机内部合成磁场的轨迹问题，就可以通过研究定子电压空间矢量的轨迹来替代。图 2.2是三相Q输出电压型逆变主电路，我们通过控制全控型功率开关管Q1到 6六个管的导通和关断时间，六个管的不同导通关断组合顺序来调整使其三相电压输出合成的电压矢量us运行轨迹为圆形。图 2.2的 1到 6是 6个功率开关管，a、b、c代表QQ三个桥壁的开关状态，上下桥壁不能同时导通，故 a、b、c共 8种开关模式。000和 111模式使输出电压为零。图 2.2三相输出电压型逆变主电路输出的每两相之间的线电压与开关状态的关系为：9 北京印刷学院硕士学位论文Vab 1 -1 0 a =Vdc 0 1 -1 b V bc(2-9) -1 0 V1cca 输出的每一相的相电压与开关状态的关系为：V 2 -1 -1a a V = 13Vdc -1 2 -1 b(2-10) b - -1 V12c c表 2-1是开关状态与相电压和线电压的对应关系，每一次电压矢量的变化使开关状态 a、b、c只有一个动作。表 2-1开关状态与相电压和线电压的对应关系Sa Sb ScVabVbc VcaVaVbVc矢量符号0 0 0 0 0 0000100110010011001101111V0V4V6V2V32Vdc - 1VdcVdc 0 0Vdc Vdc 00 Vdc Vdc0 Vdc Vdc- 1Vdc33313Vdc13Vdc23dc-V- 1Vdc- 1Vdc- 1Vdc33313Vdc13Vdc2-Vdc3- 13- 1Vdc32V10 0 VdcVdc 0 Vdc0 0 0VdcVdc3112V5Vdc-VdcV dc30 0 033V7在ab平面直角坐标系选择a轴与 A轴重合，按照在每个坐标系中电动机总功率不变的转换原则，得出ab坐标系下的电压1 - 1 - 1 V V a23 232a= V(2-11) Vb3b 0- 2 V 2c根据表 2-1和式(2-11)将与开关状态相对应的相电压转换到ab坐标系下，10 北京印刷学院硕士学位论文图 2.3基本电压空间矢量ubusTbT0ub600qTaT0uaua图 2.4电压空间矢量的线性组合在每一个 PWM波的开关周期T0内，我们让矢量 a作用 a时间，让矢量ubuT作用Tb时间，然后在下一个 0时间内使 a和 b分别作用不同的时间，保证合成Tuu的电压矢量的方向略微变化它的幅值保持不变， T0足够小的时候，经过非常多个T0后能合成一个逼近圆形的轨迹。下面说一下 a和 b的确定方法TTus = TTa ua + T0Tbub(2-11)0根据三角形的正弦定理可得，11 北京印刷学院硕士学位论文TaT0TbT0sin(q)uaubussin(2p )3=sin(p -q)(2-11)3TTa、 b时间的计算如下，Ta =Tb =sin(p -q)s2u T03ua3s2u T0sin(q)3ub由 SPWM和 SVPWM输出的波形分析表明,经典的 SVPWM波的实质是一种合成的调制波，是将零序分量注入到三相正弦波中引起的变化，然后再进行规则采样，所以它是一种变型 SPWM22。2.4本章小结本章主要介绍了 PWM变频调速技术的原理和发展，并且重点的介绍了最常用的两种控制方式 SPWM和 SVPWM控制方式，本系统中就是用到了SVPWM控制方法直接控制逆变器的，在进入 SVPWM模块以前做了坐标变换等算法，所以 SVPWM的使用在本系统中尤为重要。12 北京印刷学院硕士学位论文第三章三相异步交流电动机的数学模型60 f1np三相异步电动机的转速表达式为 n =(1-s)，从其表达式我们可以看出snf只要改变电动机的转差率、电机的极对数 p和供电电源频率 1三个参数中的任何一个，都能达到调速的目的。它的调速方法有变频调速、变极调速和变转差率调速。本实验系统中采用的是变频调速。3.1基于稳态模型的三相交流异步电机调速系统对于极对数已经给定的三相交流异步电动机，从其稳态模型分析来看，它的调速方法有定子调压调速和变压变频调速两大类23。要调速我们首先了解下电机的机械特性的三种表达方式，一般来说物理表达式适用于定性分析，参数表达式可以分析参数对电机性能，实用表达式适合于工程计算24,25表达式，异步电动机的电磁转矩为。下面给出其参数Rrs2w1(Lls + Llr)Te = P=w1(sRs + Rr)p3n Usmwm1(3-1)2+ s222w1npw =m1w是机械同步角速度， 1是供电电源角频其中 Pm是电动机的电磁功率，率，式(3-1)就是电机的机械特性方程。由式(3-1)可知，想要调速而能够改变的参w1数分为电动机参数、供电电压Us和供电电源角频率3.1.1异步电动机调压调速由以上论述可知，只改变供给定子的电压Us的方法叫作调压调速。这种调速方法的特点是保持供电频率不变，即保持其同步转速不变，保持其电流恒定，Tn而其电磁转矩变化，它们的变化关系为 P =而使气隙磁通减小进而达到调速的目的。=常量，即通过降低供电电压955060 f1np同步转速与供电频率的关系为 n1 =(3-2)13 北京印刷学院硕士学位论文Us4 . 4f41NskNsfm 气隙磁通(3-3)3.1.2异步电动机变压变频调速在三相交流电机的调速系统中，我们可以改变逆变后输出三相相位相差120的交流电的频率来改变电机的同步转速，进而改变电机的机械转速。当定子电源电压不变时，变频使得频率降低，则定子电流增大，此时如果电机带的负载不变的话，定子电流中用于建立主磁场磁通的电流部分将增大，这样主磁场磁通量变大，同时定子绕组里面的感应电动势会增加，整体又会平衡。新的平衡点对电机机械特性影响很大，因为电动机的铁芯大小影响电动机的磁通容量，在设计电机时已经让磁通容量达到了最大值，如果还要继续增加磁通容量，那么磁饱和将会产生，实际的磁通量并不能增加，电流波纹产生畸变，这样电磁力矩就被削弱，机械特性受影响。为了解决机械特性下降的问题，采用维持磁通量恒定不变的做法，这样就必须在变频的同时也改变供电电压，即实现同时变压变频(VVVF)。用 PWM脉宽调制方式控制三相异步电机，能很好的完成 VVVF控制。调速过程保持电机电流恒定，电磁转矩也恒定，即 T和 n之间无关。电机的60 f1npn =(1-s)。同步转速 n1随频率而变化，实际转速这种变频调速方法分为基频以下和基频以上调速。三相交流异步电动机的定子绕组切割旋转磁场的磁力线会在定子绕组上产生感应电动势，表达式为 E = Kff，f为电源频率，为磁通。由于在阻抗上f产生的压降相对于加在定子上的电压很小，可以用电源电压U近似代替 E，调节电压U和 f使磁通量恒定不变，即 E / f U / f =常数，这就是变压变频调速。低频时定子电阻不能忽略，适当的把定子电压抬高一些，近似地补偿定子阻抗压降。在基频以上调速时使用恒功率调速，即电机的弱磁调速。变压变频的调速特性如图 3.1所示。14 北京印刷学院硕士学位论文图 3.1异步电机变压变频的调速特性3.2基于动态模型的异步电动机调速系统3.2.1三相交流异步电动机的动态数学模型通过分析三相异步电动机的磁链方程，电压方程，电流方程，电磁转矩方程和运动方程得出其动态数学模型是一个非线性的、高阶的、强耦合的多变量系统。很多控制电机的方法都能得到不错的效果，但是真正要了解电机的动态性能还是要从其最根本的动态数学模型出发考虑分析问题。其动态数学模型由四个方程组成，分别是转矩方程、磁链方程、运动方程和电压方程组成，其中代数方程包括转矩方程和磁链方程，微分方程包括电压方程和运动方程。讲这写方程的书已经很多在此就不列出了。三相异步交流电动机三个绕组合成电感，合成磁链表示如下式(3-4)所示，y = Li(3-4)以w -is -yr为状态变量的状态方程如下式(3-5)所示，15 北京印刷学院硕士学位论文2w = nLm(isqy rd -isdy rq)-npdpdtJLrdy rd = - 1 y rd + (w1 -w)y rq +J TLLmTrisd dtTrdy rq= - 1 y rq - (w1 -w)y rd + Lm isqrdtTrT(3-5)disddtLmy rd + s Lm wy rq - RsLr2+ RrLms LsLr222isd +w1isq + usds Ls=